DE102007016822B4

DE102007016822B4 - Gestängekupplung mit Zapfen

Info

Publication number: DE102007016822B4
Application number: DE102007016822A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Püttmann
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: US8336644B2; AU2008234990C1; CN101680275A; AU2008234990A1; WO2008122423A2; CN101680275B; JP2010523845A; AU2008234990B2; DE102007016822A1; JP5649953B2; US20100196089A1; EP2142751A2; WO2008122423A3

Abstract

Steckkupplung für Gestängeschüsse zum axialen Übertragen von Schub- und Zugkräften bei einer unterirdischen Horizontalbohrung und beim grabenlosen Verlegen oder Ersetzen von Rohrleitungen, mit einem im wesentlichen zylindrischen Quersteg (6, 26, 36) an einem ersten Kupplungsglied (1) und einer im wesentlichen zylindrischen Querausnehmung (8, 28, 38) an einem zweiten Kupplungsglied (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (6, 26, 36) mindestens einen von der zylindrischen Form abweichenden Abschnitt (22, 32) aufweist und die Querausnehmung (8, 28, 38) mindestens einen Abschnitt aufweist, der mit diesem Abschnitt (22, 32) des Querstegs korrespondiert, so daß ein Einschieben des Querstegs (6, 26, 36) in die Querausnehmung (8, 28, 38) und ein Herausziehen des Querstegs (6, 26, 36) aus der Querausnehmung (8, 28, 38) nur in der Winkelstellung (Steckwinkel) der Gestängeschüsse zueinander möglich ist, in der der von der zylindrischen Form abweichende Abschnitt des Querstegs mit dem korrespondierenden Abschnitt der Querausnehmung fluchtet und in einem anderen Winkelbereich...

Description

Die Erfindung betrifft eine Gestängekupplung, wie sie zum Verbinden von Gestängen beim unterirdischen Horizontalbohren und grabenlosen Verlegen oder Ersetzen von Rohrleitungen (im folgenden Horizontalbohren) verwendet werden.
Beim Horizontalbohren werden einzelne Gestängeschüsse aneinandergereiht, miteinander verbunden und mit Hilfe eines Schub-, Zug- oder Drehantriebs durch das Erdreich bewegt. Bei längeren Bohrungen besteht das Gestänge aus mehreren Gestängeabschnitten, die entsprechend dem Bohrfortschritt nach und nach miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden. Der einzelne Abschnitt besitzt eine begrenzte Länge und muß insbesondere dann sehr kurz sein, wenn das Bohren von einer kurzen Baugrube, beispielsweise einem Schacht, Revisionsschacht oder Mannloch, aus geschieht. Solche Schächte können Durchmesser von zum Teil unter einem Meter aufweisen.
Zum Verbinden der Gestängeabschnitte stehen Kupplungen verschiedener Bauarten zur Verfügung, wobei Schraubgewindekupplungen weit verbreitet sind. Neben der Schwierigkeit, daß das Verschrauben von Gewindeverbindungen verhältnismäßig lang dauert und saubere Gewinde erfordert, haben derartige Verbindungen den besonderen Nachteil, daß sie eine Gestängerotation im Bohrvortrieb lediglich in eine Richtung erlauben. Handelt es sich beispielsweise um eine Gewindeverbindung mit Rechtsgewinde, kann die Gestängerotation nur in Rechtsdrehung erfolgen, da anderenfalls die Gewindeverbindung durch den Bohrvorgang gelöst würde.
Im Stand der Technik wurden daher Steckkupplungen entwickelt. Bei der Verwendung von Steckkupplungen ist im Gegensatz zu Schraubkupplungen das Problem zu lösen, die Kupplung nach dem Einstecken in dem Kupplungsmaul zu fixieren, da die bei Schraubgewinde greifende haftreibungsbedingte Fixierungsmöglichkeit nicht zur Verfügung steht.
Aus der DE 297 13 354 U1 ist eine Gestängekupplung bekannt, bei der ein erstes Kupplungsteil in ein zweites Kupplungsteil eingeführt wird. Zum Kuppeln der Gestänge wird nach der Lehre des Gebrauchsmusters das erste Kupplungsteil unter einem Winkel von ca: 60° relativ zu der Längsachse des zweiten Kupplungsteils mit seinem vorderen freien Ende von oben in eine rinnenförmige Aufnahme des zweiten Kupplungsteils eingeschoben. Dabei greifen halbkugelförmige Vorsprünge des ersten Kupplungsteils in Ausnehmungen des zweiten Kupplungsteils ein. Aus dieser Stellung, in der die beiden Rohrenden relativ zueinander winklig sind, wird das erste Kupplungsteil und die Ausnehmungen geschwenkt, so daß das erste Kupplungsteil in die rinnenför mige Aufnahme des zweiten Kupplungsteils gelangt und dort in enger Passung aufgenommen ist.
Anschließend wird die Verbindung durch ein Sicherungselement in Form einer Sicherungshülse gesichert.
Aus der DE 196 08 980 C2 und der DE 199 18 530 A1 sind ebenfalls Gestängekupplungen bekannt, die auf die bekannte Schraubverbindung verzichten und am vorderen Ende des anzukuppelnden Gestängeabschnittes einen axial vorkragenden laschenartigen Ansatz, der in das rückwärtige Ende des vorausgehenden Gestängeabschnitts gleitend eingreift, aufweisen. Dazu weist der vorausgehende Gestängeabschnitt stirnseitig einen axialen Schlitz mit einer Nut auf, in den sich der laschenartige Ansatz einschieben läßt. Dabei wird ein zapfenartiger Vorsprung über die Nut in eine Lagerbohrung des Schlitzes gebracht. Durch ein Schwenken des nachfolgenden Gestängeabschnittes wird dieser aus der winkligen Einstecklage in die Strecklage gebracht und liegt danach koaxial mit dem vorangehenden Gestängeabschnitt. Die axiale Fixierung ist nur in dieser Lage gewährleistet, während seitliche Fixierung durch die Seitenwände der Gestängeschüsse erfolgt. Alternativ wird der zapfenförmige Vorsprung seitlich in den Schlitz eingebracht und dann aus der winkligen Einstecklage in die Strecklage verschwenkt. Damit der Zapfen nicht aus dem Schlitz herausfällt, ist eine seitliche Fixierung durch vorkragende Seitenwände der Gestängeschüsse vorgesehen, die in der Strecklage ein Auseinanderfallen der Kupplung verhindern.
In der DE 100 65 533 A1 ist eine Kupplung beschrieben, bei der Gestängeschüsse zusammengesteckt werden, indem korrespondierende Enden der Gestängeschüsse durch ein Parallelverschieben der Gestängeschußachsen verbunden werden, wobei die Gestängeschußachsen beim Parallelverschieben einen Winkel von α < 180° zueinander aufweisen. Ein erster Gestängeschuß weist dabei einen Zapfen auf, der in eine korrespondierende Ausnehmung eines zweiten Gestängeschusses eingreift. Ein Herausfallen des Zapfens wird ebenfalls durch einen Hinterschnitt verhindert, der nach dem Einrotieren in eine Schulter am nachfolgenden Gestängeschuß eingreift oder ein Herausfallen durch federbeaufschlagte Stifte verhindert, die in eine Aufnahme in der Stirnfläche des nachfolgenden Gestängeendes eingreifen.
Die im Stand der Technik vorgeschlagenen Lösungen sichern die Gestängekupplungen gegen radiales oder axiales Auseinanderfallen durch Sicherungshülsen, Sicherungsvorsprünge, federbeaufschlagte Stifte oder durch das Prinzip, axial in einer Winkellage einzuführen und zu entnehmen, während der Betrieb in der Strecklage erfolgt.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vereinfachte oder breiter anwendbare Gestängekupplung für das Horizontalbohren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gestängekupplung. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Bohrgestänge mit einer Steckkupplung bereitzustellen, bei dem die geometrische Form eines Querstegs ein Einschieben in einer bestimmten Winkellage (Fluchtwinkel) zuläßt und gleichzeitig eine Fixierung über einen weiten Winkelbereich in einer korrespondierenden Aufnahme gewährleistet.
Dabei kann das Einschieben sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung möglich sein. Hierzu können Quersteg und/oder Ausnehmung in ihrer Geometrie von einem kreisrunden Querschnitt abweichen.
Der Quersteg kann beispielsweise als seitlich in die Ausnehmung einzuführender Zapfen, wie in der DE 100 65 533 A1 beschrieben, ausgebildet sein, dann aber eine oder mehrere Schultern aufweisen. Die korrespondierende Ausnehmung erlaubt in einer bestimmten Winkellage der Gestängeschüsse zueinander ein seitliches Einschieben des Zapfens, indem die Ausnehmung eine ovale Form aufweist oder in einem Kreissegment der Ausnehmung eine oder mehrere korrespondierende Nuten für die Schultern vorgesehen sind. Außerhalb dieser Winkellage gewährleisten die Schultern des Zapfens eine radiale Fixierung der Gestängeschüsse in Bezug aufeinander, indem sie die Ausnehmung außerhalb des Kreissegments des kleineren Radius oder der Nut(en) hintergreifen.
Der Quersteg kann auch als ein axial in die Ausnehmung einzuführendes Kupplungsteil vorgesehen sein. Der Zapfen kann dabei erfindungsgemäß zur axialen Fixierung in einem Bereich eine Abflachung aufweisen. Die Ausnehmung, das Kupplungsmaul oder der Einführungskanal der Ausnehmung weist in diesem Fall eine korrespondierende Geometrie auf, die das Einschieben des Zapfens in einer bestimmten Winkellage erlaubt. Wenn der Quersteg sich in der Ausnehmung befindet, ist er gegen axiales Verschieben gesichert, sobald er die Winkellage des Einschiebens verläßt, indem dann die das Einschieben oder Herausnehmen erlaubenden Geometrien nicht mehr fluchten.
Die Erfindung schließt nicht aus, daß eine radiale oder axiale Fixierung über eine zusätzliche Nut/Federkupplung übertragen werden, bei der beispielsweise Nut und Feder teilkreisbogenförmig ausgebildet sind und die Nut beim Verbinden der Gestängeschüsse in die Feder einrotiert wird.
Die erfindungsgemäße Kupplung kann mit verschiedenen Gestängearten verwendet werden und auch mit einer Stützeinrichtung zur Umleitung der Schub- oder Zugkräfte von der Antriebsachse in die Kanalachse.
Das Gestänge kann als Kreisbogensegment beidseitig, d. h. konkav/konkav oder konkav/konvex, ausgebildet sein, um die Form verschiedener Stützeinrichtungen abzubilden bzw. in verschiedenen Kurvenrichtungen betrieben zu werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
1a und b das vordere Ende eines erfindungsgemäßen Gestängeschusses mit einer Kupplungshälfte und das rückwärtige Ende des Gestängeschusses mit der anderen Kupplungshälfte mit einer radialen Fixierung über eine zusätzliche Nut/Federkupplung (a) und einer axialen Fixierung über eine zusätzliche Nut/Federkupplung (b);
2 eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Kupplungszapfens;
3 zwei Gestängeschüsse nach dem Einschieben in der Winkellage;
4 zwei Gestängeschüsse nach dem Verschwenken in die Strecklage;
5 zwei Gestängeschüsse der 4 nach dem Verschwenken in die Strecklage in einer anderen Ansicht;
6 die betriebsbereite Kupplung in einer winkligen Arbeitslage;
7 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung mit axial einschiebbarer Kupplung;
8 eine weitere Alternative der Erfindung mit L-förmigem Kupplungsmaul;
9 die Ausführungsform der 8 in einer Winkellage (Fluchtwinkel);
10 die Ausführungsform der 8 in einer Strecklage.
Die Gestängekupplung nach 1 besteht aus einem ersten Kupplungsglied 1 und einem zweiten Kupplungsglied 2. Die Kupplungsglieder weisen jeweils eine Kupplungsfläche 3 bzw. 4 auf, wobei die Kupplungsfläche 3 einen Zapfen 6 aufweist, der mit einer Ausnehmung 8 der Kupplungsfläche 4 korrespondiert. Der Zapfen 6 weist endseitig zwei vertikal zur Gestängeachsenebene orientierte Schultern 12, 14 auf. Die Ausnehmung 8 weist eine zu den Schultern 12, 14 korrespondierende Nut 16 auf, die in Bezug auf die Gestängeachse horizontal orientiert ist.
Die Orientierung der Schultern 12, 14 und der Nut 16 bewirkt, daß die Gestängeschüsse beim Verbinden im rechten Winkel zueinander angeordnet werden müssen, um die Schulter 12 in Flucht mit der Nut 16 zu bringen (vgl. 3). Wenn Schultern 12 und Nut 16 fluchten kann der Zapfen 6 über die Nut 16 in die Ausnehmung 8 eingeschoben werden. Sobald nun die Gestängeschüsse ihre rechtwinklige Relativlage verlassen, sichern die Schultern 12, 14 den Zapfen 6 in der Ausnehmung 8 in allen Winkeln bis in die Strecklage über einen Hinterschnitt 19 (vgl. 4) oder indem sie auf der gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung 8 austreten (nicht dargestellt).
Über eine zusätzliche Nut 15a, b und Feder 17a, b wird eine radiale (1a) oder axiale (1b) Fixierung der Kupplung gewährleistet. Die Nut wird beim Verbinden der Gestängeschüsse in die Feder einrotiert.
7 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der ein an dem ersten Kupplungsteil 20 befindlicher Quersteg 26 mit einer stirnseitigen Abflachung 22 axial über einen Längssteg 24 in eine am zweiten Kupplungsteil 21 befindliche Querausnehmung 28 eingeschoben wird. Aufgrund der stirnseitigen Abflachung 22 am Quersteg 26 befinden sich die Gestängeschüsse beim Einschieben des Querstegs 26 in die Querausnehmung 28 in einem 90°-Winkel zueinander. Die im Querschnitt kreisrunde Querausnehmung 28 gewährleistet für alle anderen Winkel bis in die Strecklage einen sicheren Halt des Querstegs 26 in der Querausnehmung 28.
Bei der Ausführungsform der 8 weist das zweite Kupplungsglied 31 ein L-förmiges Kupplungsmaul 30 auf. Das Kupplungsmaul 30 ist in Bezug auf die Querausnehmung 38 so angeordnet, daß der Quersteg 36 zunächst um 90° gedreht muß, bevor er in die Querausnehmung 38 verschoben wird. Sobald der Quersteg 36 seine tiefste Eintauchstellung im Kupplungsmaul 30 erreicht hat und demgemäß mit der Abflachung 32 auf dem Längssteg 34 aufliegt, wird der Gestängeschuß 4 um 90° axial rotiert und sodann entlang der Achse des Gestängeschusses in die Endlage nach 7 geschoben, was aufgrund der Abflachung 32 möglich ist. In dieser Lage sind die beiden Gestängeschüsse 4, 7 wiederum miteinander verbunden, sobald sie die 90°-Winkelstellung ver lassen, da die Geometrie des Querstegs 36 ein Verlassen der Querausnehmung 38 nur zuläßt, wenn sich die Abflachung 32 in der Ebene des Längsstegs 34 befindet. Die Gestängeschüsse lassen sich gegeneinander verschwenken, beispielsweise aus der Winkellage nach 9 bis in eine gestreckte Betriebslage nach 10, und sind auch in den dazwischen liegenden Winkellagen im wesentlichen spielfrei verbunden.

Claims

Steckkupplung für Gestängeschüsse zum axialen Übertragen von Schub- und Zugkräften bei einer unterirdischen Horizontalbohrung und beim grabenlosen Verlegen oder Ersetzen von Rohrleitungen, mit einem im wesentlichen zylindrischen Quersteg (6, 26, 36) an einem ersten Kupplungsglied (1) und einer im wesentlichen zylindrischen Querausnehmung (8, 28, 38) an einem zweiten Kupplungsglied (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (6, 26, 36) mindestens einen von der zylindrischen Form abweichenden Abschnitt (22, 32) aufweist und die Querausnehmung (8, 28, 38) mindestens einen Abschnitt aufweist, der mit diesem Abschnitt (22, 32) des Querstegs korrespondiert, so daß ein Einschieben des Querstegs (6, 26, 36) in die Querausnehmung (8, 28, 38) und ein Herausziehen des Querstegs (6, 26, 36) aus der Querausnehmung (8, 28, 38) nur in der Winkelstellung (Steckwinkel) der Gestängeschüsse zueinander möglich ist, in der der von der zylindrischen Form abweichende Abschnitt des Querstegs mit dem korrespondierenden Abschnitt der Querausnehmung fluchtet und in einem anderen Winkelbereich (Arbeitswinkel), der außerhalb des Steckwinkels liegt, ein Herausgleiten mangels fluchtender Abschnitte ausgeschlossen ist und die Gestängeschüsse dementsprechend fixiert sind.
Gestängekupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (6) mindestens eine Schulter (12) und die Querausnehmung (8) eine korrespondierende Nut (16) aufweist.
Gestängekupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quersteg (26, 36) mindestens eine Abflachung (22, 32) aufweist.
Gestängekupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zweiten Kupplungsglied ein Kupplungsmaul (30) vorgesehen ist.
Gestängekupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsglied L-förmig ausgebildet ist.